9. Radioaktív sugárzás mérése Geiger-Müller-csővel. Preparátum helyének meghatározása. Aktivitás mérés.

Átírás

1 9. Radioaktív sugárzás mérése Geiger-Müller-csővel. Preparátum helyének meghatározása. ktivitás mérés. MÉRÉS CÉLJ: Megismerkedni a radioaktív sugárzás jellemzésére szolgáló mértékegységekkel, és a sugárzás mérésének legegyszerűbb módszerével a Geiger-Müller-csővel történő mérés esetével. ELMÉLETI ISMERETEK radioaktív anyag bomlásakor a keletkező részecske véletlenszerűen, bármely irányban egyforma valószínűséggel repül ki. mennyiben a sugárzó anyagot pontszerűnek tekintjük, akkor a forrástól R távolságra az egységnyi idő alatt mérhető beütésszámot () a következő egyenlettel számíthatjuk ki: = k ( ) (9.) R ahol k egy konstans, ami a sugárzás típusától és mérőműszer tulajdonságaitól (felület, hatásfok), valamint a preparátum aktivitásától (bomlás/s) függ. 9.. bomlás mennyiségi jellemzői: bomlás és egyben a sugárzás intenzitását a bomlási sebességgel jellemezhetjük, amelyet aktivitásnak nevezünk. z aktivitás megmutatja, hogy másodpercenként hány atommag bomlik el, illetve hány részecske szabadul ki az atommagból. Képlete = (9.) t z aktivitás mértékegysége: becquerell, jele Bq = /s. Régebbi egység a curie (Ci) = 37 GBq. radioaktív magok bomlására jellemző- anyagi minőségtől függő - mennyiség a T f felezési idő, amely megmutatja, hogy adott számú, bomlatlan atommagok száma mennyi idő alatt feleződik meg. Mértékegység lehet: másodperc (s), perc(min), óra(h), nap(d), év(y, mivel a bomló magok belső szerkezetétől függően a felezési idő értéke tág határok között (másodperc tört részétől év milliárdokig) változhat. 9.. radioaktív bomlás differenciális és integrális törvényei bomlási törvény differenciális alakja a radioaktív izotóp aktivitása, T f felezési ideje és a bomlatlan magok száma (vagy a bomló izotóp m tömege) között teremt függvénykapcsolatot az alábbi összefüggés szerint: = t vagy az izotóp m tömegével kifejezve: 0, 693 =, (9.3) T f 0, 693 m =, (9.4) T M f

2 9.3. gyakorlat eszközei: Geiger-Müller-cső radioaktív anyagok sugárzásának detektálására a GM-csőben közvetlenül, vagy közvetve- azok ionizáló képességét használják fel. GM-cső általában -3 cm átmérőjű fém-, vagy üveghenger, amelynek tengelyében vékony, 0,05-0, mm átmérőjű fémszál van kifeszítve. hengert kb.,3 0 4 Pa nyomású r-gázzal töltik meg (számlálógáz) amely 0% többatomos gőzt (alkoholt, étert), vagy újabban halogén (Cl, Br) és gázt tartalmaz (kioltógáz). G-M-cső működése a következő: a radioaktív sugárzás hatására a csőben levő számlálógázban ionok keletkeznek. (γ-sugárzás esetében a cső falából kiváltott elektronok is szerepet játszanak.) keletkezett primer elektronok az elektromos térben az anód felé mozogva akkora sebességre tesznek szert, hogy újabb ütközéssel elektronokat szakítanak le a számlálógáz atomjairól, amelyek felgyorsulva megismétlik a folyamatot, így a pozitív töltésű szálra (anódra) elektronlavina kerül. lavina kifejlődése közben sok atom gerjesztődik. Ezek energiafeleslegüket fotonok kibocsátásával adják le, amelyek szintén elektronlavinát váltanak ki. Végeredményben egy radioaktív részecske által kiváltott lavina kb. 0-6 s alatt szétterjed a pozitív szál mentén és az eredetileg jelenlevő elektronok számától függetlenül közel azonos számú elektron ér el az anódhoz. ( 9.. GM-cső elvi kapcsolása 9.. GM-cső karakterisztikája pozitív ionok az elektronokénál lényegesen kisebb sebességgel haladva eljutnak a negatív elektródhoz (katódhoz), rekombinálódnak, semleges állapotba kerülnek (9.. ábra). z elektronlavina fennmaradását a nagy relatív molekulatömegű gőz, ill. a halogén gáznak az ionokat rekombináló (kioltó) hatása akadályozza meg. Így minden egyes detektált részecske esetén egy-egy feszültségimpulzus keletkezik, amelyeket elektronikus úton, adott ideig számlálva a sugárzás intenzitásával arányos beütésszámot kapunk. részecskék egyedi energiája GM-csővel közvetlenül nem határozható meg, mivel a beérkező részecskék energiájától függetlenül közel azonos nagyságú impulzusok keletkeznek (közel azonos számú elektron jut az anódhoz). GM-cső csak egy minimális feszültségnél kezd számlálni. Ez az U i indulási feszültség. Halogén töltésű csöveknél ez V, szerves gázzal töltötteknél V között van. z indulási feszültségnél valamivel nagyobb feszültséget használva, az időegység alatt észlelt impulzusszám () a feszültséggel közel arányosan nő egy bizonyos U k könyökponti feszültség, az un. Geiger-küszöb eléréséig (U ), majd a feszültség értékét növelve, a beütésszám közel állandó marad. Ez a kb V feszültség-intervallum a plató hossza. Ennek közepére szokás választani a cső üzemi

3 feszültségét. feszültséget tovább növelve az időegységre jutó impulzusszám rohamosan emelkedik, megindul az önálló gázkisülés (U ),. ( cső begerjed ) feloldási idő. feloldási idő amely általában a GM-cső és a számláláshoz szükséges erősítő és impulzusszámláló közös jellemzője - azt az időtartamot jelenti, amely szükséges ahhoz, hogy egy részecske beérkezése után az anódfeszültség ismét úgy fel tudjon nőni, hogy a következő beérkező részecske a számláló berendezés érzékenységi küszöbénél nagyobb feszültséget hozzon létre. Ez az idő kb µs. Ez limitálja felülről a mérhető legnagyobb intenzitást (beütés/s), ami imp/s mért intenzitás függése a minta és a detektor távolságától radioaktív anyag bomlásakor a keletkező részecske véletlenszerűen, bármely irányban egyforma valószínűséggel repül ki. mennyiben a sugárzó anyagot pontszerűnek tekintjük, akkor a forrástól r távolságra az egységnyi idő alatt mérhető beütésszámra () a következő összefüggést írhatjuk fel: k r =, (9.5) ahol - sugárforrás aktivitása (bomlás/s), k egy konstans, a sugárzás típusától, a mérőműszer tulajdonságaitól függ. Három alkalmazási példa következik Sugárzó preparátum helyének meghatározása Legyen egy sugárzó preparátum (Pr) egy hengeres dobozba zárva, számunkra ismeretlen (dobozon belüli) elhelyezkedéssel. sugárzási forrás helyét egy tengely mentén meghatározhatjuk (9.5.) alapján, két helyen (a doboz két oldalánál) mért beütésszám (, ) segítségével: Pr d- = k, = k (9.6.a,b) ( d ) hol d a doboz hossza, a preparátum ismeretlen távolsága a doboz falától. két beütésszám hányadosa: Kifejezve a keresett távolságot: ( d ) =. (9.7) d =, (9.8) + vagyis sem a preparátum aktivitásának, sem a k konstans értékének ismeretére nincs szükség az ismeretlen távolság meghatározásához. 3

4 9.4.. Sugárforrás aktivitásának meghatározása Ha rendelkezésre áll egy ismert aktivitású izotóp, akkor GM- számláló segítségével az () alapján egy, az ismerttel azonos izotóp, aktivitását meghatározhatjuk a beütésszámok (, ) és a számláló-sugárforrás távolságok (R, R ) mérésével: R R =. (9.9) 3. preparátumok sugárzásától kapható sugárdózisok becslése különböző radioaktív sugárzásokat hatásaik alapján osztályozhatjuk. biológiai hatás nagymértékben függ a sugárzás által deponált energiától, így az elnyelt dózis, azaz az egységnyi tömegre jutó, elnyelt energiamennyiség: E D e =, (9.0) m ahol E a szövet által elnyelt energia, m az elnyelő szövet tömege. z energiadózis mértékegysége a gray (Gy): J = Gy kg radioaktív sugárzás biológiai hatása függ azonban a sugárzás fajlagos ionizáló képességétől, amely a β- és γ- sugaraknál kisebb, mint pl. az α-sugárzásnál. Így a hatás pontosabb jellemzését biztosítja a biológiai egyenérték dózis: H = Q, (9.) D e amelynek egysége a sievert (Sv), Q a relatív biológiai effektivitás (RBE), értéke a β- és γ- sugárzásra:, az α-sugárzásra, nehéz ionokra: 0, a lassú (gyors) neutronokra: 5 (0). kapott sugárdózis függ: - a sugárzó anyag aktivitásától, - az elnyelődő részecskék egyedi energiájától, - a sugárforrástól mért távolságtól, - a besugárzás idejétől, - a személy és a preparátum közötti anyagoktól (védőburkolat, ruházat, levegő, stb.), valamint a személynek a sugárzásra merőleges felületének nagyságától, - a sugárzást elnyelő szerv vagy szervek tömegétől (lokális dózis esetén), vagy a személy teljes tömegétől (egésztest-dózis esetén). Mindezek figyelembevételével egy adott anyagú és aktivitású preparátumtól óránként kapható dózist az () összefüggéshez hasonlóan fejezhetjük ki: D t K r =, (9.) ahol K a sugárzó anyagra jellemző, ún. dózisállandó. K értéke néhány izotópra: 4

5 Sugárzó izotóp µ Sv m K GBq óra a 8 37 Cs 79,9 60 Co K 33 háttérsugárzásból bennünket érő óránkénti sugárdózis átlagos értéke Magyarországon 0, µsv, vagyis 0,88 msv évente, a külső és belső (szervezetünk kálium tartalma!) sugárdózis együttesen,4 msv. Egy röntgenvizsgálatkor kapott sugárdózis kb. 0,4 msv. ESZKÖZÖK, MÉRÉS MEETE - Geiger-Müller-számláló (kézi) tápegységgel - Ólomtorony, - különböző radioaktív preparátumok - mérőszalag 9.3. Preparátumok konzervdobozban 9.4. Preparátumok tárolása 9.5. Geiger-Müller-számláló+tápegység 9.6. Geiger-Müller számláló (kézi) mérés menete:. Tanulmányozzuk a mérőberendezés működését és kezelését a gyári leírás alapján. készüléket bekapcsoljuk és kb. perces bemelegedési idő után megkezdjük a mérést. 5

6 . Mérjük meg a doboz hosszanti tengelyének két átellenes pontjában az időegység alatti beütésszámokat (, ) és a doboz hosszát (d)! Ismételjük meg a mérést a hosszanti tengelyre és egymásra merőleges további két irányban! Minden mérési pontban legalább 0 független mérés beütésszám-átlagával számítsuk ki (9.8) formula alapján mindhárom irányban a preparátum távolságát a doboz falaitól! Készítsünk vázlatos rajzot a minta helyéről! FELDTOK, EREDMÉYEK KIÉRTÉKELÉSE. Mérje meg és jegyezze fel a háttérsugárzás értékét! Minden további mérésnél ennek értékét vonja le a mért beütésszámokból!. Határozza meg a radioaktív sugárzó anyag (béta- és gamma sugárzó 37 Cs ) helyét a leírtak alapján! 3. Határozza meg a kiadott preparátumok ( 37 Cs, 90 Sr) aktivitását GM számláló segítségével! Mérje meg az etalon és az ismeretlen aktivitású preparátumok esetén is adott távolságban (R, R ) az időegység alatti beütésszámokat (, ), majd (9.9) összefüggés alapján, az etalon sugárforrások aktivitásának ismeretében számítsa ki a keresett aktivitásokat! 4. Becsülje meg a (9.0) összefüggés alapján, a felhasznált izotópoktól egy óra alatt kapott sugárdózist, ha feltesszük, hogy azoktól átlagosan méter távolságban tartózkodtunk! Számítsa ki, hogy legalább mekkora távolságban lenne az óránként kapott többlet sugárdózis a háttérsugárzásból származó dózisnál kisebb! 5. Értékelje a kapott eredményeket! TÁBLÁZTTERV α S α KÉRDÉSEK. Fogalmazza meg az aktivitás definícióját és adja meg a mértékegységét!. Fogalmazza meg és írja fel a bomlási törvény differenciális alakját! 3. Ismertesse a GM-cső felépítését, működését! 4. Mit jelent ez a szó, hogy rekombináció? 5. Mekkorára választják egy GM-cső üzemi feszültségét? 6. Mit jellemez, mit ír le a feloldási idő? 7. Milyen összefüggéssel számoljuk a részecskeszámot, ha pontszerű a preparátum? 8. Hogyan határozza meg egy ismeretlen izotóp aktivitását, ha van egy ismert aktivitású izotóp? 9. Fogalmazza meg az elnyelt dózis definícióját, és adja meg mértékegységét! 0. Melyik sugárzási formának nagyobb, és melyiknek kisebb a fajlagos ionizáló képessége, és mi az egysége?. Miért használunk radioaktív minták tárolására ólomtornyot?. Mitől függ a kapott sugárdózis? 3. Mennyi Magyarországon évenként a háttérsugárzásból bennünket ért sugárdózis? 4. Becsülje meg a (9.0) összefüggés alapján, a felhasznált izotópoktól egy óra alatt kapott sugárdózist, ha feltesszük, hogy azoktól átlagosan méter távolságban tartózkodtunk! émet Béla, Szász János Pécs, 008. március 8. 6